Материал: Выбор электронной пушки и расчёт основных ее элементов

Напряжение накала идеального катода несколько больше напряжения накала реального катода в связи с уменьшением удельного сопротивления материала на охлажденных концах:

где U_HR - напряжение источника питания накала (напряжение накала реального катода);

DU_H - поправка по напряжению накала на точку крепления (на охлажденные концы катода);

n - количество точек крепления (охлажденных концов).

n = 2; DU_H = 0.215 B; U_HR = 8 В;

 В.

Соответствующие изменение тока эмиссии учитывают коэффициентом идеальности:

 (2.10)

где DU_e - поправка по напряжению накала, вызванное поправкой по току эмиссии, DU_e = 0,818.

Из этого уравнения выражается значение тока эмиссии идеального катода:

В соответствии с формулами:

 - падение напряжения на идеальном катоде;

 - сила тока эмиссии идеального катода;

Диаметр проволоки и длина катода определяются:

 (2.11)

 (2.12)

Расчет параметров идеального катода

Электрофизические параметры идеального катода определяются по следующим формулам.

Мощность подводимая от источника питания для нагрева катода:

 (2.13)

Сопротивление нагретого катода:

 (2.14)

Ток накала катода:

 (2.15)

Скорость испарения материала катода:

 (2.16)

Срок службы катода

По мере эксплуатации материал подвергается распылению и испарению. Учесть распыление - важнейший фактор разрушения катода проблематично. Действие же испарения, которое уменьшает диаметр нити и снижает силу тока эмиссии, возможно оценить на основании эмпирической зависимости срока службы от температуры и диаметра катода:

 (2.17)

где В - коэффициент, зависящий от критерия принимаемого при оценке срока службы (, если критерием считать уменьшение эмиссии на 20%).

.4 Сравнительный анализ параметров катодов из вольфрама и тантала

Таблица 2.4

Сравнительная характеристика материалов катода:

Таблица 2.5

Сравнительный анализ параметров катодов из вольфрама и тантала, полученных при расчете:

Зависимости τ, l, d от температуры Т для проволочного прямонакального катода из вольфрама и тантала, представленных на рис.3,4,5.

катод насос катушка откачка

Рис.3. График зависимости срока службы катода от температуры

Рис.4. График зависимости длины катода от температуры

Рис.5. График зависимости диаметра катода от температуры

Вывод: Исходя из полученных данных, был выбран проволочный прямонакальный катод из тантала с параметрами: температура нагрева катода Т=2200 К, диаметр проволоки d=2.333 ·10^-4 м, длина катода l=0.122 м, срок службы τ=64.784 ч.

Катод имеет вид бифиллярной спирали. Форма эмитирующей части катода показана на рис.6.

Рис.6. Форма эмитирующей части катода

. Расчет параметров фокусирующей катушки

Целью расчета является выбор конструктивных параметров второй магнитной линзы, обеспечивающих фокусное расстояние.

Современные электронные пушки строятся по двух линзовой схеме:

Первая линза - иммерсионный электростатический объектив; вторая - магнитная линза. Ход лучей в двух линзовом генераторе показан на рис.7.

Рис.7. Схема траекторий в двух линзовом генераторе

Усилием первой линзы, образуемой полем ускоряющего промежутка между катодом и анодом, формируется изображение катода CD в за анодном пространстве. Перед этим изображением расположено наименьшее сечение пучка АВ, являющееся точкой фокуса первой линзы со стороны изображения и называемое кроссовером. Радиус кроссовера может быть в десятки раз меньше радиуса катода. Поэтому, именно кроссовер является объектом второй линзы для формирования изображения A’B’ [6].

Рис.8. Формирование электронно-оптического изображения в тонкой магнитной линзе

Будем рассматривать магнитную линзу симметричную относительно средней плоскости и слабопреломляющую (длиннофокусную), тогда можно считать: главные плоскости совпадающими со средней; главные фокусы симметрично расположенными ( |ƒ₁|=|ƒ₂|=ƒ ), а потенциалы электрического поля по обе стороны линзы одинаковыми и равными U.

Из учета мощности электронной пушки примем [1]:

f = 500 мм - фокусное расстояние;

I_Ф = 250 мА - ток фокусировки;

R_ср = D_лп = 30 мм - средний радиус фокусирующей катушки;

j_Ф = 2 А/мм² - плотность тока фокусировки.

Число ампер-витков фокусирующей катушки определяется по формуле:

 (2.18)

Плотность тока:

 (2.19)

отсюда найдем диаметр проволоки обмотки фокусирующей катушки:

Примем значение диаметра проволоки обмотки фокусирующей катушки по ГОСТу: d_пр = 0.4 мм

Площадь поперечного сечения проволоки:

 (2.20)

Уточним значение плотности тока фокусировки:

 (2.21)

Плотность тока в проводе не должна превышать 2..5 А/мм². Условие выполняется.

Вычислим площадь поперечного сечения катушки:

 (2.22)

где k - коэффициент, учитывающий способ намотки проволоки;

Определим длину H и ширину B поперечного сечения катушки:

 (2.23)

Примем H = 15 мм, тогда

Угол поворота изображения:

 (2.24)

Рис.9. Схема фокусирующей катушки

. Выбор насосов вакуумной системы и ее схемы для откачки электронной пушки

.1 Выбор схемы откачки

Вакуумные системы технологических ЭЛУ построены в основном по двум схемам: с общей или раздельной дифференциальной откачкой рабочей ВК и ЭП [2,4]. Первая схема обычно используется при обработке в высоком вакууме в рабочих камерах относительно небольших объемов или в случае подвижной пушки. В этом случае внутренняя полость ЭП соединена с камерой и откачивается общей ВС. Недостатки схемы в необходимости обеспечивать высокий рабочий вакуум (10^-2…10^-3 Па) в значительном объеме и худших условиях работы катода ЭП, который подвергается термоциклированию и периодическому напуску воздуха в процессе загрузки-выгрузки изделия. Более совершенной является ВС с раздельной откачкой, которая применима в случае стационарной пушки. В этой схеме для удаления газа из пушки используется дополнительная (как правило, меньшей производительности) откачная система, которая позволяет проводить обработку изделия при промежуточном вакууме (1…10^-1 Па) в ВК, сохраняя при этом высокий вакуум в ЭП. Величина последнего будет определяться величиной натекания газа из камеры в ЭП и производительностью этой дополнительной ВС. Между пушкой и камерой устанавливается вакуумный затвор, который позволяет герметично отделить их откачиваемые объемы. Это дает возможность перезагрузить камеру без напуска воздуха в полость ЭП или заменить катодный узел пушки без напуска воздуха в камеру. При этом предварительный вакуум в пушке может достигаться через рабочую камеру при открытом затворе в результате работы насоса.

Выберем схему с раздельной дифференциальной откачкой рабочей ВК и ВК ЭП.

Схема вакуумной системы (рис.10), включает: вакуумную камеру СV и ЭП, вентиль VП4 для напуска воздуха и датчики вакуума PA5, PT2; форвакуумный насос NI2, который посредством вентиля VП5 подсоединён к ЭП, а через кнопку Вкл.3, подсоединенной к электрической сети - управляется; PA6 и PA4 - датчики вакуумной системы трубопровода и диффузионного насоса ND2, который соединён через вентиль VП6 с насосом предварительного разряжения NI2, а посредством затвора VП с внутренним объёмом ЭП. Кроме того ND2 через кран VП9 подключён к магистрали водопровода для охлаждения и управляется через кнопку Вкл.4, подсоединенной к электрической сети для питания нагревательного элемента.

Рис.10. Схема вакуумной системы электронной пушки.

Откачка ЭП на высокий вакуум осуществляется в следующей последовательности. Исходное положение: электропитание отключено, вентили и затвор закрыты. Для пуска установки необходимо подключить сеть к NI2 с помощью кнопки Вкл.3. Начинается откачка системы трубопроводов до низкого вакуума, затем выполняем откачку до высокого вакуума. Для этого требуется открыть вентиль VП5. Начинается откачка пушки. Достигнув низкого вакуума в ЭП, необходимо закрыть VП5 и открыть вентиль VП6 для откачки до низкого вакуума рабочего объёма ND2. Обеспечив низкий вакуум в ND2, необходимо подготовить его к работе, для чего следует открыть кран VП9 подачи воды в ND2 и подключить кнопкой Вкл.4 сеть к нагревательному элементу ND2. Диффузионный насос будет готов к работе спустя 45 минут после включения его нагрева. Затем необходимо открыть затвор VП, соединяющий ЭП с ND2. Начинается откачка пушки до высокого вакуума (~10^-3 Па ), после чего установка готова к работе.

Для отключения ЭЛУ необходимо: закрыть затвор VП; отключить кнопку Вкл.4, что приводит к остановке и охлаждению ND2, которое длится 45 минут; закрыть кран VП9 подачи воды (при температуре корпуса ND2 ниже 50 ^oC); закрыть клапан VП6; отключить электропитание NI2 кнопкой Вкл.3. Откачка CV производится аналогично.

Для замены изделия необходимо закрыть затвор VП7, соединяющий CV с ЭП и вентили VП3, VП соединяющие ND1 c CV, открыть вентиль VП1 для напуска воздуха в вакуумную камеру, после чего открыть люк и достать свариваемое изделие. Загрузив следующее изделие, закрыть вентиль VП1 и люк. Повторить цикл откачки имея в виду, что ND1 готов к работе и необходимо осуществить только откачку CV на низкий и высокий вакуум.